Diseño experimental en ciencia: definición y método

El diseño de experimentos científicos

¿Alguna vez ha pensado en lo que implica un experimento científico real? La mayoría de nosotros hacemos investigaciones científicas cuando somos jóvenes. Los experimentos escolares son fáciles y divertidos. Pero, ¿qué pasa con los científicos reales, como los químicos, los físicos y los investigadores médicos? ¿Qué tipo de trabajo tienen que hacer? ¿Cómo diseñan sus experimentos en el laboratorio?

Los componentes del método científico; los experimentos son responsables ante los demás elementos

Los experimentos, recuerde, son uno de los componentes clave del método científico , que es un conjunto de procedimientos que siguen los científicos para adquirir conocimiento sobre el mundo. Otros componentes del método científico son preguntas, hipótesis, observaciones, análisis y conclusiones. Si bien los experimentos son solo una parte de una investigación científica, terminan siendo responsables ante los demás elementos. En esta lección, veremos qué implica realizar un experimento valioso y aprenderemos cómo los científicos diseñan investigaciones útiles.

Qué necesita un experimento

Un experimento científico es una investigación ordenada que intenta probar o refutar una hipótesis . Entonces, su propósito principal es probar si la predicción de alguien es correcta. Al diseñar experimentos, los científicos tienen que responder algunas preguntas bastante complicadas, como: ¿Responde mi experimento la pregunta que estoy tratando de resolver? ¿Prueba adecuadamente mi hipótesis? ¿Puedo hacer observaciones sobre los resultados de mi experimento y podré analizar esos resultados? Finalmente, si ejecuto esta prueba, ¿me permitirá llegar a algún tipo de conclusión?

Los experimentos científicos son diferentes de otros tipos de pruebas porque se requiere que encajen con el método científico. Otro factor importante es la revisión por pares de la comunidad científica. El trabajo de un científico generalmente no se reconoce a menos que siga los estándares establecidos por otros científicos de todo el mundo. Algunas reglas básicas se aplican al diseño de un buen experimento. Echemos un vistazo a lo que necesita un experimento científico.

Regla n. ° 1: el experimento debe demostrar que una hipótesis está respaldada o no. En ciencia, tratamos de evitar el uso de términos como «correcto» e «incorrecto», y no decimos que las hipótesis están «probadas» o «refutadas» hasta que estemos realmente seguros de ello. Un solo experimento no es suficiente para probar nada con un 100% de certeza.

Regla n. ° 2: Los resultados de un experimento deben ser medibles y objetivos. Los científicos usan unidades estándar para medir diferentes propiedades como longitud, tiempo, volumen, masa y velocidad. A veces necesitamos un equipo especial para observar las cosas de forma mensurable. Por ejemplo, no podemos ver la luz ultravioleta ni escuchar sonidos infrasónicos. Necesitamos dispositivos especiales para detectar y medir esas propiedades por nosotros.

Regla n. ° 3 para investigaciones científicas: el experimento debe ser repetible por otros científicos. Los pares revisores quieren asegurarse de que otros científicos puedan realizar el mismo experimento y obtener resultados similares. Esta es una de las razones por las que estandarizamos nuestras herramientas y equipos de medición. Los científicos deben poder leer el informe de cualquier otra persona, seguir los pasos exactamente de la misma manera y comparar sus hallazgos con la prueba original. En ciencia, las nuevas ideas no se toman en serio hasta que muchos científicos las han probado muchas, muchas veces. Por eso es importante que los científicos compartan sus técnicas y confirmen los hallazgos de los demás.

Teorías y leyes

Entonces, ¿cómo se convierten las ideas científicas en parte de la base de conocimientos de la comunidad? Si todo el mundo siempre está comprobando el trabajo de los demás, ¿cómo se convierten las hipótesis en teorías? ¿Cómo se convierten las teorías en leyes científicas? Bueno, antes que nada, tenga en cuenta que la teoría en el mundo de la ciencia no es lo mismo que una teoría en el lenguaje cotidiano. Podría tener una ‘teoría’ de que mi amiga Jackie le pedirá una cita a su compañero de clase Jimmy, pero eso no es lo mismo que una teoría científica.

En ciencia, una teoría es un enunciado que generalmente se acepta como resumen de una hipótesis o grupo de hipótesis. También puede llamar a una teoría una hipótesis aceptada. Cuando una hipótesis ha sido probada por muchos científicos diferentes y la mayoría de ellos ha llegado a la misma conclusión básica, entonces podemos comenzar a llamar a la hipótesis una teoría. No hay ningún «gran maestro de la ciencia» que haga el decreto final sobre una teoría. Es más como un consenso general. Y una teoría aún puede refutarse si una investigación adicional revela suficiente evidencia para refutarla.

Las teorías se convierten en leyes cuando los resultados de un experimento no pueden refutarse.

Una ley se diferencia de una teoría en que se la considera un hecho universal. Una ley científica es una declaración general sobre un grupo de observaciones que no tiene excepciones a la regla. La mayoría de las leyes se pueden establecer como ecuaciones matemáticas, como la ley de Boyle y la ley de Pascal. Las leyes en biología son declaraciones sobre cómo funcionan los seres vivos, por ejemplo, las leyes de Mendel. Para explicar los resultados de sus experimentos con guisantes, Gregor Mendel desarrolló la Ley de Segregación y la Ley de Surtido Independiente. Ningún experimento genético ha refutado las leyes de Mendel, por lo que sus declaraciones todavía se consideran leyes en la actualidad.

Controles en diseño experimental

Pero incluso Gregor Mendel tuvo que diseñar un experimento válido para recibir crédito por el trabajo que hizo. El uso de un control es un elemento que realmente hace que un experimento sea científico. Cuando los científicos intentan probar un factor, deben asegurarse de que no haya ninguna variable que pueda alterar sus resultados.

Por ejemplo, supongamos que desea ver si los girasoles o las margaritas crecen más rápido a partir de semillas. Plantarías una semilla de girasol en una maceta, una semilla de margarita en otra, y luego pondrías las macetas en una ventana y las regarías todos los días. Pero, ¿qué pasa si pones la maceta de girasoles en una ventana soleada y la maceta de margaritas en una ventana sombreada? Tus hallazgos estarían sesgados, ¿verdad? No sabrías con certeza si los girasoles siempre crecen más rápido que las margaritas o si solo tu girasol crece más rápido porque recibe más sol.

En ciencia, un control es un medio para garantizar que solo se esté probando un factor a la vez. Para que el suyo sea un experimento controlado, necesitaría colocar ambas macetas en la misma ventana. También le daría a cada planta la misma cantidad de agua, se aseguraría de que las semillas se plantaran en el mismo tipo de suelo y plantaría ambas semillas al mismo tiempo. Cuanto más controle los factores variables en su experimento, más seguro estará de que los resultados abordarán con precisión su pregunta experimental.

Ya que estamos en el tema, revisemos este experimento de flores para asegurarnos de que sigue las otras reglas. Recuerde, nuestros pares en la comunidad científica están examinando cada uno de nuestros movimientos. Entonces, en primer lugar, ¿nuestro experimento está diseñado para que apoye o refute nuestra hipótesis? Bueno, necesitamos una hipótesis. Digamos que nuestra hipótesis es ‘Los girasoles crecerán más rápido que las margaritas cuando se cultivan en condiciones similares’. Nuestro experimento está diseñado para probar y comparar las dos velocidades de crecimiento, por lo que cubrimos esa regla.

A continuación, ¿disponemos de un medio para generar resultados objetivos y medibles? Nuestros resultados están relacionados con la altura de las plantas a lo largo del tiempo, por lo que tendremos que medir la altura de las plantas en milímetros y el tiempo en días y horas. Probablemente haremos un gráfico que muestre cuánto creció cada planta en incrementos de tiempo.

Los científicos deben responder a muchas preguntas para defender y validar sus experimentos.

Finalmente, ¿pueden otros científicos repetir nuestro experimento de la misma manera que lo diseñamos? Bueno, obviamente cualquiera puede cultivar plantas en su ventana. Pero como científicos, debemos especificar todos los detalles de nuestro experimento. ¿Cuánta tierra estamos poniendo en las macetas? ¿Cuál será la temperatura media? ¿Cuántas horas de luz recibirá cada planta? ¿Exactamente cuánta agua daremos a las plantas? ¿Qué tipo de tierra para macetas usaremos? ¿Con qué frecuencia mediremos las alturas de las plantas? ¿Cuánto tiempo continuaremos con nuestro experimento? Sé que parecen muchas preguntas, pero estos son los requisitos rigurosos que enfrentan los científicos en su trabajo. Si no defienden sus experimentos con información detallada, su trabajo no se reconoce en la revisión por pares.

Resumen de la lección

Como puede ver, la experimentación científica no es un paseo por el parque. Para recibir crédito por su trabajo, los científicos deben diseñar e implementar experimentos con gran complejidad y precisión. De hecho, ¡algunos científicos publican cientos de páginas de trabajo por cada estudio que realizan! Puede parecer una exageración, pero los desafíos de la comunidad científica ayudan a garantizar que solo la ciencia válida y confiable sea plenamente reconocida y utilizada.

Se necesita mucho trabajo para diseñar un buen experimento. Para encajar con el método científico, los experimentos deben ser relevantes para las preguntas, hipótesis, observaciones, análisis y conclusiones de la investigación. Los experimentos están diseñados para que apoyen o refuten una hipótesis y den resultados en términos de datos objetivos y medibles. Un experimento debe ser repetible por otros científicos para que se mantenga en la revisión por pares.

Cuando una hipótesis es generalmente aceptada por la comunidad científica, se convierte en teoría. Los principios científicos que se consideran hechos se convierten en leyes. Al diseñar sus experimentos, los científicos deben incorporar controles para garantizar que solo se pruebe una variable a la vez. El diseño y la implementación experimentales son difíciles, pero estos desafíos ayudan a que la ciencia siga avanzando.

Los resultados del aprendizaje

Cuando complete la lección, debería poder:

• Identificar los requisitos para experimentos científicos.
• Diseñar experimentos que produzcan resultados medibles
• Entender cómo una hipótesis se convierte en teoría o ley.
• Describir el papel de un elemento de control en un experimento científico.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador